7. Пластическая деформация

В соответствии с диаграммой растяжения, рис.20 при достижении величины нагрузки, соответствующей точке А, начинается пластическая деформация. Пластическая деформация будет иметь место вплоть до разрушения в точке С. при этом деформация от точки А до точки В будет Устойчивой и однородной по длине и сечению. В точке В произойдет потеря устойчивости деформации и образуется шейка, в которой сосредоточиться деформация, в результате которой зародится трещина.

Что касается механизма пластической деформации, то известны 2 механизма:

1. Сдвиговый механизм пластической деформации.

2. Механизм диффузионной пластичности.

Сдвиговый механизм пластической деформации имеет место как при низких, так и при повышенных температурах. Сдвиговая деформация наступает практически мгновенно при достижении определенной величины прикладываемых напряжений.

Сдвиговая деформация заключается в организованном перемещении отдельных частей кристалла (скольжение) или отдельных атомных плоскостей (двойникование). В результате этого весь кристалл вытягивается в направлении действия приложенных напряжений.

Первые представления о сдвиговом механизме пластической деформации базировались на модели жесткого сдвига, рис.32.

Согласно данного механизма все атомы вдоль плоскости сдвига одновременно сдвигаются на одинаковое расстояние „х”.

На основании такой модели деформации была разработана теория прочности. Согласно этой модели были произведены расчеты теоретической прочности металлов. Напряжения, вызывающие такой сдвиг, должны быть периодической функцией смещения атомов в кристаллической решетке, рис.33.

к – коэффициент, определяемый для начальной стадии пластической деформации.

Началу пластической деформации всегда предшествует упругая деформация. Величина напряжений, соответствующая упругой деформации, может быть определена на основании элементарного закона Гука:

- величина деформации (сдвига)

G – модуль сдвига

Граничной точке между максимальной упругой и начальной пластической деформацией будет соответствовать одна и та же величина напряжений. Следовательно, можно записать равенство:

Для малых пластических деформаций Sin можно опустить. Тогда:

Из этого уравнения представляется возможным рассчитать величину коэффициента к.

Для металлов, имеющих кубическую решетку, можно принять b=h. Тогда величина напряжений соответствующая сопротивлению сдвига будет равна: .

Из сопоставления теоретической и реальной прочности металлов видно, что теоретическая прочность примерно на 3 порядка превышает реальную прочность.

Объяснение такому различию стало возможным с привлечением теории дислокаций. Первые представления о пластической деформации с точки зрения теории дислокаций были высказаны Тейлором в 1934г. Им было показано, что дислокации окружены полем упругих напряжений. Величина напряжений в поле дислокации убывает обратнопропорционально расстоянию от линии дислокации. При расстоянии от линии дислокации равном 1 мкм, расчетная величина напряжений составляет 10⁷ , что по величине близко к значению предела текучести идеального кристалла.

Для перемещения дислокации необходимо приложить напряжения значительно меньше чем для жесткого смещения одной части кристалла относительно другой.

Учитывая дислокационный механизм сдвиговой пластической деформации, деформация идет путем движения дислокации вдоль кристаллографических плоскостей с наибольшей плотностью упаковки атомов. Ориентировка подобных плоскостей и направлений определяется типом кристаллической решетки. Для металлов с ГЦК решеткой скольжение идет по плоскости параллельно направлению , а для металлов с ОЦК решеткой скольжение идет по плоскости параллельно направлению , вокруг которого расположено по 12 плоскостей, входящих в семейство . Всего таких плоскостей 48, но будучи плоскостями с относительно высокой плотностью упаковки, ни одна из них не является плоскостью с плотнейшей упаковки.

При малых деформациях скольжение начинается вдоль плоскостей наиболее ориентированных к направлениям сдвига. По мере увеличения степени деформации скольжения распространяется на менее благоприятно ориентированные плоскости. Следы скольжения проявляются на предварительно полированных образцах после их пластической деформации. В пределах отдельных кристаллов образуются выступы, обнаруживаемые под микроскопом в виде одинаково ориентированных прямых линий. Помимо линий скольжения часто наблюдаются макрополосы, ориентированные под углом 45⁰, 60⁰ к направлению прикладываемой нагрузки.

С увеличением степени деформации растет число линий скольжения в отдельных зернах и растет число зерен, в которых появляются линии скольжения.

В поликристаллических металлах свободной сдвиговой деформации препятствуют границы зерен. В связи с этим с увеличением степени

Рис. 32. Модель деформации путем жесткого сдвига

Рис. 33. Зависимость напряжения от величины смещения атомов

Рис. 34. Схема механизма диффузионной пластичности

деформации наряду со скольжением происходит поворот и изгиб зерен. Этому способствует различная ориентировка зерен, относительно направления действия напряжений.

Наряду со сдвиговой деформацией вследствие движения дислокаций может иметь место сдвиговая деформация без участия дислокаций – путем двойникования.

Механическое двойникование существенно отличается от обычного скольжения, а поэтому его следует рассматривать как отдельный механизм пластической деформации. Как и при механизме сдвиговой деформации, при деформации двойникованием имеет место сдвиг в определенных плоскостях в определенном направлении. Однако этот сдвиг идет на расстояния, составляющие только часть периода повторяемости, и однородно распространяется в последующих плоскостях. Смещение атомов при двойноковании прекращается на каждой атомной плоскости после сдвига их только на часть межатомного расстояния. При этом величина смещения каждого атома на данной плоскости будет одинаковой в двойниковой области. На границе двойников сохраняется когерентная связь атомов матрицы и двойника. Когерентный характер границ двойника обусловливает низкую энергию, и, следовательно, высокую устойчивость.

Напряжения, необходимое для двойникования, имеют большую величину при комнатной и отрицательных температурах. В результате этого двойникование происходит в условиях, когда велик предел текучести, например в металлах с ОЦК решеткой при низких температурах и больших скоростях деформации. Деформация двойникованием начинается внезапно и происходит с большой скоростью. Для ряда металлов деформация двойникованием сопровождается треском (например цинк).

В ряде случаев деформация двойникованием не является единственным механизмом. Происшедшее двойникование облегчает сдвиговую деформацию путем скольжения дислокаций, так как образующиеся двойники создают новые ориентировки скольжению.

При высоких температурах наряду с дислокационным механизмом пластической деформации может иметь место механизм диффузионной пластичности. Известно, что с повышением температуры в металлах увеличивается количество вакансий, которые неравномерно распределяются под действием прикладываемых напряжений. Схематически это можно представить в виде следующей схемы, рис.34.

Согласно этой схемы концентрация вакансий С₁ – в направлении перпендикулярном действию напряжений выше концентрации вакансий С₂ – вдоль действующих напряжений. Таким образом возникает градиент концентрации вакансий ΔС=С₁ – С₂. При повышенных температурах под действием напряжений возникает направленное движение вакансий от большей концентрации к меньшей. Движение вакансий будет сопровождаться направленным потоком атомов в противоположном направлении, что приведет к переносу массы и деформации.